[发明专利]气体传感器

说明书

本申请是美国专利申请11/524,698的部分继续申请，而美国专利申请11/524,698要求美国临时专利申请60/719,548的优先权，两者均被结合在此作为参考。

技术领域

本发明涉及气体传感器，尤其涉及利用振荡器和环境传感器的气体传感器。

附图说明

图1示出了用于测量振荡器之间的频率差的装置；

图2示出了传感器的灵敏度的曲线图；

图3示出了用于测量振荡器之间的频率差的另一个装置；

图4示出了传感器的灵敏度的曲线图；

图5示出了用于输出本发明的实施例的结果的电路；

图6示出了利用纳米线或纳米管的传感器；

图7示出了本发明的实施例的示例性应用；以及

图8-11示出了本发明的实施例。

具体实施方式

氢作为具有最小原子量的元素而为人所知。在处于热力学平衡中的气体混合物里，分子具有大约3/2kT的平均能量，而不管它们是氢分子、氮分子、还是氧分子等。分子的动量是mv，其中，m是分子量，v是等于(8kT/πm)^1/2的平均分子速度。所以，在给定温度下的气体分子的动量将按照(m)^1/2而取决于其质量。分子的动量与尺寸（有效直径）的差异导致了气体的其它宏观参数（比如粘度和扩散速率）的差异。

在气体环境中振荡期间，振动的物体（比如音叉尖端）将动量传给气体分子，从而导致了音叉尖端中的机械能损耗。这种损耗引起了音叉的谐振频率的变化，并且这种频移将取决于音叉尖端传给气体分子的动量。这意味着：在包含轻分子（比如氢）的气体中，因与气体分子相互作用而导致的损耗会比在没有氢的环境中小一些。因此，在有氢存在的环境中，振荡频率将会更高。

在音叉石英振荡器中，音叉尖端按反相弯曲模态对称地振动，其中，音叉尖端在任意时刻在彼此相反的方向上移动。音叉尖端振荡的速度可以按下文进行估计。音叉尖端偏转的振幅约为60nm/V。如果音叉尖端上的驱动电压约为1V，则在32768Hz的频率处，音叉尖端将具有大约2mm/s的特征速度。那比气体分子的速度（每秒数百米）小得多，并且有可能考虑这种交互作用的准静态情形。因此，主要是气体的宏观特征会影响音叉振荡频率。

所描述的音叉传感器可能不是针对特定气体有选择性的，并且其它轻气体（比如氦）可能会干扰将要供给的气体。为了避免干扰，有可能使用气体-可渗透的膜（比如在检测氢时使用Pd（钯）膜）以改善选择性。

音叉谐振器中的频率变化通常是很小的，所以一种差分频率检测方法可以被用于检测很小的频率偏差。与频率一起，音叉谐振器的品质因子Q和阻抗也随着振荡能量在气体环境中耗散而变化。

图1示出了一种装置100，它具有多个ECS-327SMO型振荡器101…102，这些振荡器可以被用于气体检测。音叉振荡器罐子的顶部103…104可以被磨掉以便气体进入，并且振荡器的输出110、111被连接到D触发器105的D输入和CLK输入。振荡器(OSC1)101可以被置于怀疑包含特定气体的环境中。基准振荡器(OSC2)102可以被用于解释气体组成的变化（比如湿度变化）以及温度补偿。振荡器101的频率将随着气体浓度而增大。触发器输出106处的频率差由此与气体浓度成正比。

作为示例，可以使用在室温下与空气混合且体积浓度为0到16％的氢气来表征传感器100。可以使用两个100sccm质流控制器，来制备这种氢-空气混合物。可以使用Tektronix CDC250计数器来测量频率差拍之间的间隔。在所有的浓度范围中，传感器100对氢的响应是相当线性的。如在图2中可以看出的，当在振荡器101的腔体中实现了16%氢气浓度时，可以观察到差动频率中的9%变化。

图3示出了传感器300，其中，两个振荡器303、304被用于检测气体腔室301中的气体（比如氢）。传感器300把基准振荡器304密封起来（罐子的顶部没有被磨掉）以进行保护从而防止到将要被检测和/或测量的气体的通路。与打开的振荡器303一起，它们可以彼此相邻地被置于测量的气体环境中。如上所述，可以使用一种气体-可渗透膜302。在本实施例中，可以针对温度执行交叉补偿，但并不针对湿度变化执行交叉补偿。

气体的浓度接下来可以按下式进行计算：

f₁＝f₁₀+kC_H2，

f₂＝f₁₀+f₁₂，